Software & Systems

В современной промышленности (в машиностроении в целом и авиационной промышленности в частности) актуальной является задача контроля прочности и степени износа производимой продукции. Все усложняющиеся задачи по повышению качества выпускаемой продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств неразрушающего контроля (НК) и диагностики.

Магнитные методы НК применяют для выявления дефектов в деталях, изготовленных из ферромагнитных материалов, то есть таких материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от конкретных задач НК, марки контролируемого материала, требуемой производительности метода могут использоваться те или иные первичные информативные параметры, к которым относятся следующие: коэрцитивная сила, намагниченность, индукция (остаточная индукция), магнитная проницаемость, напряженность, эффект Баркгау- зена (ЭБ).

Результаты изучения ЭБ показали принципиальную возможность применения его и сопутствующих ему магнитных шумов для неразрушающего контроля ферро- и ферримагнитных материалов и изделий из них. За прошедшее десятилетие достигнуты значительные успехи в теоретическом обосновании, техническом оснащении и практическом использовании метода ЭБ. Сегодня ЭБ применяется практически во всех областях НК – в дефектоскопии, структуроскопии, размерометрии, технической диагностике [1]. Метод контроля путем анализа параметров скачков Баркгаузена (СБ) и магнитных шумов внесен в ГОСТ 18353–79, которым регламентируется использование термина «метод эффекта Баркгаузена». Метод ЭБ относится к магнитному виду в силу того, что он основан на анализе микрорельефа статической петли гистерезиса.

В [2] показана принципиальная возможность применения эффектов памяти наведенной магнитной анизотропии (НМА), которые являются дальнейшим развитием метода ЭБ, для определения дефектов типа нарушения сплошности, режимов термообработки, сортировки образцов по маркам стали [3], что позволяет существенно расширить область использования метода ЭБ в современном НК и диагностике.

Рис. 1

Широкому применению метода ЭБ и эффектов памяти НМА в неразрушающем контроле и диагностике препятствует сложность компьютерной обработки информации о магнитных параметрах материала, в частности, о величине и частоте появления СБ и других характеристиках микрорельефа петли гистерезиса контролируемого материала. До настоящего времени исследование ЭБ и эффектов НМА проводилось в основном по изображению отдельных СБ на экране осциллографа. Разработка и использование специализированных программных комплексов позволит существенно повысить эффективность применения магнитных методов, в основе которых лежит ЭБ, в современной промышленности, а их совместное использование со специализированными аппаратными комплексами позволит в дальнейшем создавать мощные и эффективные приборы для неразрушающего контроля и диагностики.

Аппаратный комплекс для автоматизации контроля качества ферромагнитных материалов

Существующие аппаратные комплексы предоставляют малые возможности оператору в управлении контролем качества ферромагнитных материалов.

На рисунке 1 приведена структурная схема автоматизированной системы исследования эффектов памяти НМА, которая дает оператору возможность производить контроль качества ферромагнитных материалов и обрабатывать полученные данные на персональном компьютере. Предложенная система состоит из двух взаимосвязанных комплексов – аппаратного и программного.

Аппаратный комплекс измеряет силу тока переменного синусоидального поля, подаваемого на соленоид, и сигнал вторичной электродвижущей силы (ЭДС), поступающий с выхода датчика [4].

Предложенный аппаратный комплекс имеет следующие особенности:

-     для контроля за фазой сигнала соленоида и датчика используется блок определения фазы, состоящий из программируемого фильтра верхних частот;

-     для выбора каналов входных сигналов служит коммутатор аналоговых каналов, который коммутирует три измеряемых сигнала, отвечающих за температуру, за напряженность магнитного поля соленоида, сигнал датчика вторичной ЭДС и за дополнительный резервный канал для подключения опорного сигнала при самотестировании системы;

-     для повышения точности измерений в комплексе используется программируемый преобразователь уровня, преобразующий входные (выбранный канал) сигналы к нормированному диапазону, чтобы получить равную точность для любой возможной величины контролируемого сигнала (блок, осуществляющий такое согласование, обеспечивает автоматическое переключение диапазонов входных сигналов);

-     для подключения измеряемого сигнала или тестового опорного сигнала ко входу схемы, осуществляющей преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, используется блок переключателя, работающий в режимах измерения или тестирования;

-     частота дискретизации всей системы 2 МГц;

-     разрядность АЦП 16 бит;

-     для связи с персональным компьютером используется последовательный USB-порт.

Программный комплекс для автоматизации контроля качества ферромагнитных материалов

Немаловажной составляющей автоматизированной системы является программное обеспечение верхнего уровня.

Структура программного обеспечения аппаратно-программного комплекса для автоматизации контроля качества ферромагнитных материалов на основе эффектов памяти НМА представлена на рисунке 2.

Подпрограмма «Сбор данных» предназначена для сбора экспериментальных данных с контролируемого ферромагнитного образца, поступающих с аппаратной части комплекса, и их сохранения в специализированном файле формата «*.ima».

Подпрограмма «Построение петли гистерезиса» осуществляет построение скомпенсированной дифференциальной петли гистерезиса путем извлечения данных из файла формата «*.ima» и производит расчет эффектов памяти НМА (Dh, De, DS и значение параметра асимметрии наблюдаемой петли гистерезиса), на основании которых и производится контроль качества ферромагнитных материалов с использованием критериев, которые детально рассмотрены в [3].

Подпрограмма «Построение зависимостей» осуществляет построение зависимости отношения амплитуды n-гармоники к амплитуде k-гармоники сигнала вторичной ЭДС от напряженности воздействующего поля и зависимости амплитуды, выбранной контроллером n-гармоники, от частоты воздействующего сигнала.

Подпрограмма «Дополнительные настройки эксперимента» предназначена для установки контроллером типа используемого магнитного преобразователя (соленоид или кольца Гельмгольца) и его параметров.

Таким образом, программный комплекс позволяет производить:

·     построение скомпенсированной дифференциальной петли гистерезиса [2];

·     построение зависимостей:

-     амплитуды выбранной n-гармоники от частоты воздействующего сигнала,

-     отношения амплитуды n-гармоники к амплитуде k-гармоники сигнала вторичной ЭДС от напряженности воздействующего поля;

·     расчет параметров НМА и связанных с ней эффектов памяти: ширины перетяжки Dh, глубины перетяжки De, площади перетяжки DS, значения параметра асимметрии петли гистерезиса;

·     сохранение не только сырых результатов эксперимента, но и уже обработанных данных, полученных непосредственно с аппаратной части комплекса, для их последующей обработки в других внешних программных приложениях, поставляемых сторонними производителями.

Рис. 2

Количество исследований над ферромагнитным образцом, необходимых для осуществления его полного контроля качества, может быть произвольным и определяется контроллером (рекомендуется не менее 5).

Выходные данные о результатах исследования ферромагнитного материала хранятся в xml-формате. Программный комплекс взаимодействует с аппаратной частью комплекса посредством специально разработанной программы – драйвера, который реализован в виде отдельной dll-библиотеки.

Представленный аппаратно-программный комплекс – законченная исследовательская система по изучению ЭБ и эффектов памяти НМА, которую можно успешно применять для контроля качества ферромагнитных изделий в неразрушающем контроле и диагностике. Важной особенностью комплекса является то, что он позволяет наблюдать короткоживущие перетяжки, возникающие под воздействием переменного магнитного поля, и контролировать их изменение во времени.

Литература

1. Ломаев Г.В. Эффект Баркгаузена и его использование в технике контроля и измерения: Учеб. пособ. – Ижевск: ИМИ, 1984. – 88 с.

2. Вечфинский В.С. Магнитотекстурная память гоpных поpод. / Дис. … д. ф.-м. н. – СПб: СПбГУ, 1992. – 213 с.

3. Великанов Д.С. Системный анализ параметров наведенной магнитной анизотропии ферримагнитных материалов для повышения эффективности их промышленного использования: / Дис. ... к.т.н. – Рыбинск: РГАТА, 2005. – 146 с.

4. Ларионов Д.А. Эффекты магнитной анизотропии ферримагнитных материалов и их физико-математические модели: / Дис. ... к.ф.-м.н. – Ярославль: ЯГУ им. Демидова, 2002. – 131 с.

5. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Ковалев А.В. и др. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. – М.: Машиностроение, 2003. – 656 с.